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RÉSUMÉ
Les matériaux scintillateurs sont des convertisseurs d’énergie utilisés dans une grande variété d’applications. Ce domaine scientifique est à l’interface entre chimie, physique du solide et ingénierie de la détection. Cet article décrit le concept de scintillation, les critères de qualité de ces matériaux en fonction des performances attendues et donc des applications. Il se focalise ensuite sur les processus complexes de relaxation d’énergie qui permettent, à partir de l’absorption d’un rayonnement ionisant de plusieurs keV l’émission de centaines ou milliers de photons de quelques eV. Quelques recherches actuelles sont décrites en guise de conclusion.
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Christophe DUJARDIN : Professeur Institut Lumière Matière – UMR 5306 CNRS-Université Lyon 1, Villeurbanne, France
INTRODUCTION
Voir l’invisible, c’est le rôle principal du scintillateur qui convertit en lumière visible l’énergie déposée par des photons X, γ, mais également par des électrons et des neutrons. Chaque flash de lumière ainsi généré pourra donc être détecté par un photodétecteur. Le scintillateur est donc une pièce maîtresse des détecteurs de rayonnements dits ionisants. Il est largement utilisé dans les secteurs du médical, de la sécurité ou bien de l’exploration pétrolière. Il existe une très grande variété de matériaux scintillateurs. Certains sont arrivés à maturité technologique et sont commercialisés en grande quantité, d’autres sont plus exploratoires, développés dans les laboratoires de recherche. Cette large variété de choix s’explique de par la grande variété de paramètres et critères requis pour les différentes applications.
Après une introduction sur la définition de la scintillation et de ses modes d’utilisation, l’article décrit les grands champs d’applications et les secteurs sociétaux associés. Il vise ensuite à expliquer au lecteur, utilisateur potentiel de matériaux scintillateurs, le rôle et l’impact de ses différents critères de qualité. Il propose ensuite une approche pour hiérarchiser l’importance de ces paramètres en fonction de l’application visée, puis traite du mode d’interaction entre les différents rayonnements ionisants et le matériau. Ce dernier est également important pour la sélection du matériau en fonction de l’application. Dans un second temps, les fondements théoriques des processus de relaxation de l’énergie d’excitation sont décrits. Les processus étant relativement complexes, cette approche n’est pas nécessaire pour appréhender la première. Néanmoins, la compréhension fine des processus devient utile pour les utilisateurs orientés sciences des matériaux. En effet, optimiser les performances et les procédés d’élaboration nécessitent une vision relativement globale de cet ensemble de processus de relaxation et transferts d’énergie, ainsi que de luminescence, car de petites modifications de matériaux peuvent aboutir à de grandes modifications de performances. Enfin, la conclusion traite des développements et recherches les plus récentes.
Un glossaire et un tableau des symboles utilisés sont présentés en fin d’article.
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4. Quels sont les critères pour choisir un scintillateur ?
Le scintillateur universel n’existe pas. Parmi tous les paramètres évoqués dans le paragraphe 3, il est important de prioriser les contraintes, car il existe une très large palette de matériaux scintillateurs. Afin de restreindre progressivement la gamme de matériaux potentiels, le premier critère sera d’estimer la contrainte en termes de réponse temporelle.
Il existe deux grandes catégories d’applications, celles qui utilisent un mode de comptage de particules et celles qui utilisent un mode en intégration. La figure 8 permet d’appréhender l’impact sur les exigences des valeurs de temps de réponse.
En mode comptage, une réponse rapide sera exigée (typiquement < 1 μs), car cela conditionne le taux de comptage acceptable en évitant l’empilement des signaux (pill-up). Dans certains cas, comme dans les applications en temps de vol, cette contrainte est bien plus sévère, notamment en temps de montée du signal. Les records actuels des résolutions temporelles se situent autour de 100 ps.
En mode intégration, cette contrainte forte sur la réponse temporelle est relâchée et l’on sera vigilant à l’aspect afterglow, surtout en imagerie. Des scintillateurs avec un temps de réponse de l’ordre de la milliseconde sont ainsi fréquemment utilisés. Cette distinction est importante, car les familles de matériaux possibles sont alors très différentes. Le second critère de choix sera de déterminer la valeur du rendement de scintillation acceptable. Cela correspond bien souvent à un nombre de charges minimal à détecter par événement en mode comptage et par unité de temps d’acquisition en mode intégration. Ce paramètre est également corrélé à l’adéquation entre la longueur d’onde d’émission et la sensibilité du photodétecteur, ainsi qu’au mode de couplage optique entre les deux. Il dépend également...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SHIMIZU (S.) et al - * - NIM-A, 537, p. 57-60 (2005).
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(6) - LECOQ (P.), ANNENKOV (A.), GEKTIN (A.), KORZHIK (M.), PEDRINI (C.) - Innorganic scintillators for detector systems. - Spinger, Berlin (2006).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Calcul des spectres de transmission des matériaux https://www.researchgate.net/publication/275207314_ANALYSE_DES_SPECTRES_DE_TRANSMITTANCE_DES_COUCHES_MINCES_PAR_UNE_MODELISATION_MATHEMATIQUE_APPROPRIEE
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SCINT, International Conference on Inorganic Scintillator and their Applications. Cette conférence internationale a lieu tous les deux ans http://Scint.univ-lyon1.fr
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